Çevre Müh. Hülya SEMERCĠOĞLU SAKARYA 2010
Ahmed F. Ghoniem Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, 77 Massachusetts Ave., Rm. 3-342, Cambridge, MA 02139, United States Received 18 March 2009 Accepted 10 February 2010 Available online 18 April 2010
Ġçerik Amaç GiriĢ Günümüzde ve gelecekte enerji tüketimi CO2 CO2 emisyonunun azaltımı DüĢük karbonlu fosil yakıtların dönüģüm teknolojileri Sıfır karbon teknolojileri UlaĢtırma Sonuçlar
Amaç CO2 baģta olmak üzere sera gazlarını azaltmak için enerji verimliliğinin artırılmasında, sıfır karbon teknolojilerinin geliģtirilmesinde yapılabilecek çalıģmaların belirlenmesi ve CO2 emisyonunu azaltmak için uygulanacak yöntemlerin araģtırılması, Küresel ısınma ve iklim değiģiminin belirlenmesidir.
GiriĢ Enerji insanlığın en zorunlu ihtiyaçlarından biridir ve refah içinde bir yaģama sahip olmak için öncelik listesinin en baģında gelmektedir. Hızlı endüstrileģme ve modern ekonomik sistemlerin uygulanması, gıda üretiminde ziraat, nakliye ve iģleme proseslerinde artan enerji tüketimiyle enerji ihtiyacı giderek artmaktadır.
Benzer durum, temiz içilebilir su temininde görülmektedir. Isıtma ve havalandırma sistemlerinin yanı sıra haberleģme, ulaģtırma ve aydınlatma modern yaģamın enerjinin yoğun bir Ģekilde kullanıldığı ihtiyaçlarıdır.endüstriyel üretimler ise enerjinin büyük bir tüketicisi olmaya devam etmektedir.
Enerji iģlenmemiģ formda doğal kaynaklarda bol miktarda bulunmaktadır. Enerji doğal kaynaklarını kullanıģlı formlara ve endüstri, ulaģtırma ve evsel kullanım için gerekli miktarlarda dönüģtürmek yeni bir geliģmedir. Bu dönüģüm oranı artan nüfus ve yaģam standartlarının yükselmesiyle artmaktadır.
Enerjinin farklı kaynakları kullanılmaktadır ve farklı enerji kullanım teknolojileri geliģmektedir. Enerjinin geleneksel kaynaklarından biri fosil yakıtlardır ve hızlı bir oranda azalmaktadır. Ancak, yenilenebilir enerji gibi daha az geleneksel kaynakların kullanımı için gerekli olan teknolojiler, geliģmiģ ve geliģmekte olan ülkelerin artan ihtiyaçlarına ayak uyduramamaktadır.
Bunu yanı sıra bazı enerji kaynaklarının kullanımı çevresel sorunları artırmıģtır. Birçok ülke çevresel sorunları azaltmaya çalıģmaktadır. CO2 ve CO2 in küresel ısınmadaki rolüne dikkat çekilmiģ ve can sıkıcı bir problem olarak ortaya çıkmıģtır. Bu sebeple bu çalıģmada enerji tüketimi, CO2 ve emisyon azaltımı, dönüģüm teknolojileri, yenilenebilir enerji kaynakları ve ulaģtırma üzerinde durulmuģtur.
Enerji tüketimi, Ģimdi ve gelecekte Tüm dünyada enerji tüketimi yıllık 440Ej den daha fazladır. IEA ya göre 2003 yılında dünya güç kapasitesi 14 TW a yakın iken Amerika nın güç kapasitesi 3.3 TW dır. Mevcut toplam tüketimin, %82 si fossil yakıtlardan (petrol, doğal gaz) üretilmiģ %10 u hayvan üretimi ve tarımdan gelen biyoyakıttan gelmiģ Geri kalan kısım ise nükleer parçalanma ile hidroelektrik, rüzgar ve jeotermal gibi diğer yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilmiģtir.
IEA ya göre 2004 yılı için dünya birincil enerji tüketimi Toplam 11059 Mtoe/y = 462Ej/y IEA Key World Energy Statistics, 2006 Edition, page 6, 1973 and 2004 Fuel Shares of Total Primary Energy Supply.
Enerji tüketimi endüstriyel verimlilik, tarımsal bolluk, temiz su,refah ve insan sağlığı ile ölçülen yaģam kalitesi ile güçlü bir iliģki halindedir. Bu iliģki kiģi baģı gayri safi milli hasıla ile kiģi baģı enerji tüketimi ile gösterilmektedir.
Ortalama olarak 18.yy dan 19.yy ortalarına kadarki periyotta dünya genelinde enerji tüketimi yılda %1.55 oranında artmıģtır. Amerika da bu artıģ %1.7, Çin de %5.3 ve Hindistan da ise %6.6 oranındadır. 2007 yılı için Amerika nın enerji tüketimi dünya genelinde enerji tüketiminin %25 ini oluģturmaktadır ve bu 100Ej den fazladır. Aynı zamanda Çin den 2 kat daha fazla enerji tüketmektedir. Amerika da enerjinin %28.64 ü ulaģtırmaya, %31.18 i endüstriyel üretime, %18.14 ü ticari binalara ve %21.4 ü konutlara gitmektedir.
2007 yılında Amerika için enerji kaynakları ve tüketimi Toplam enerji 101.6 BTU BTU=18J
IEA ya göre dünya genelinde toplam enerji tüketimi 25 yıl içerisinde %50 oranında artacaktır. ġekilde 2030 yılına kadar enerji tüketim projeksiyonu gösterilmektedir. Aynı 25 yıllık periyot sonunda CO2 emisyonları %50 oranında artacaktır. The International Energy Agency, World Energy Outlook 2005
CO2 Özellikle kömür, petrol ve diğer ağır hidrokarbonlar gibi yüksek karbon içerikli fosil yakıt tüketiminin artması atmosferde CO2 emisyonunun artmasına ve geri dönülmez küresel ısınmaya ve iklim değiģim etkilerine sebep olmaktadır. CO2 konsantrasyonu(ppm) ile Sanayi devrimden sonraki yıllarda sıcaklık değiģimleri Ģekilde gösterilmektedir.
Küresel enerji dengesi Gelen güneģ ıģınlarının %30 u atmosfer tarafından geri yansıtılır, farklı yüksekliklerde güneģ ıģınlarının %20 si etrafa dağılır. Bunun sonucunda güneģ ıģınlarının %50 si yeryüzüne ulaģır ve su ve toprak tarafında absorbe edilir. (W.m-2)
Ġklim modellemesi Küresel iklim modelleri veya küresel sirkülasyon modelleri (GCM) atmosferdeki CO2 konsantrasyonunda ve dünya sıcaklığında meydana gelen değiģimleri basınç, rüzgar hızı ve yoğunluk gibi değiģkenlerle tahmin etmek için kullanılan modellerdir. Bu modeller zamana bağlı küresel sıcaklıktaki değiģimleri tahmin etmek için uygulandığında, atmosferi etkileyen güneģ ıģınımı ve diğer parametrelere göre CO2 için farklı senaryolar dikkate alınmalıdır.
Bu modeller zamana bağlı korunum denklemleri; toplam kütle, momentum ve enerji denklemleri ile entegre modellerdir. GCM tahminlerine örnek olarak, IPCC nin 21.yy boyunca sıcaklık tahminleri gösterilebilmektedir.
Farklı birçok model sonucuna göre iklim hassasiyeti veya atmosferik CO2 konsantrasyonunun iki katına çıkmasından kaynaklanan sıcaklık değiģimi 1.5 ile 4.5 C aralığında tahmin edilmiģtir. Bu model tahminlerinde belirsizlik kaynakları cloud feedback ile aerosoller, CO2 olmayan sera gazları, iklim değiģimlerinde iç değiģkenler ve arazi kullanım değiģimleridir.
Yakıt ve sektöre göre CO2 emisyonları Büyük ölçekli endüstrileģme ve fosil yakıt yakmada gerçekleģen hızlı artıģ atmosferik CO2 konsantrasyonunu 280ppm den 360ppm e kadar yükseltmiģtir. Enerji üretiminde oluģan sürekli artan CO2 miktarı için tahminler Ģekilde gösterilmektedir. Petrol ulaģtırmada çok fazla kullanıldığından toplam enerjinin %40 ını oluģturmaktadır ve CO2 emisyonunun en büyük kaynağıdır.
2002 yılı ve 2030 yılına kadar yapılan senaryo çalıģması için ekonominin farklı sektörlerinde oluģan CO2 emisyonu Ģekilde gösterilmektedir. Elektrik enerjisi üretimi CO2 emisyonu için ana kaynak olarak görülmekte ve bunu ulaģtırma takip etmektedir.
Elektrik enerjisi üretiminde nükleer ve hidrolik kaynaklar ile doğal gaz kullanımının artmasına rağmen yaygın olarak kömür kullanılmaktadır. Elektrik üretim tesisleri sabit olduğundan CO2 emisyonunu azaltmak için en kolay hedef olarak göz önünde bulundurulmalıdır. CO2 emisyonunun diğer sabit kaynakları ise çimento tesisleri, petrol rafinerileri ve demir-çelik endüstrisidir. Hareketli kaynaklarda CO2 emisyonunu azaltmak var olan içten yanmalı motorların verim geliģimi, yakıt hücreli taģıtlara veya yüksek verimli motorlara geçiģ, doğal gaz ve hatta hidrojen gibi sıfır karbonlu yakıt kullanımı ile gerçekleģebilir.
Küresel ısınma ve iklim değiģimi Deniz seviyesinin yükselmesi Kutup buz örtüsünün erimesi, buzulların çekilmesi ve okyanus yüzey sularının termal geniģlemesinden dolayı deniz seviyesi yükselmesi küresel ısınmanın önemli bir sonucudur. 20.yy boyunca deniz seviyesi değiģim tahminleri deniz seviyesinin 19.yy dan 20cm daha fazla olduğunu belirtmektedir. Yüzyıl sonunda sıcaklığın 1-2 C artacağı ve deniz seviyesinin 30-50cm yükseleceği tahmin edilmektedir.
Okyanus asiditesinin değiģimi Okyanuslarda CO2 absorpsiyonu ph seviyesini düģürür ve daha asidik hale getirmektedir. Okyanus derinliklerinde yaģayan organizmaların yanı sıra yüzeye yakın organizmaları da etkilemektedir. Günümüzde okyanus suyu ph değeri 8.2 dir. Asiditenin, atmosferde CO2 nin artmasıyla endüstri öncesi dönemden 0.1 oranında azaldığı tahmin edilmektedir. Model tahminlerine göre fosil yakıtlar bitene kadar CO2 artıģı aynı Ģekilde devam ederse, ph değerindeki azalıģın 0.7 birim olacağı tahmin edilmektedir.
California da yapılan çalıģma sonuçlarına göre yüzyılın sonuna kadar, Yüksek emisyon senaryosu altında eyalet sıcaklığı 2.3 ile 5.8 C arasında artacağı Bu artıģın sıcak hava dalgasına sahip günlerin artmasıyla iliģkili olduğu Yıllık su haznesine giren su miktarında azalma Alp dağları ve eteklerinde yer alan ormanlarda kayıpların olacağı ve ormanların boyutlarının %90 dan 50 ye düģeceği tahmin edilmiģtir.
Kyoto protokolü BirleĢmiĢ Milletler Ġklim DeğiĢikliği Çerçeve SözleĢmesi dahilinde 1997 yılında gerçekleģtirilen konferansta Kyoto protokolü adı verilen anlaģma imzalanmıģtır. Bu anlaģmaya göre 2008 ile 2010 yılları arasında CO2 emisyonunun 1990 yılı seviyesinin en az %5 i oranında azaltılması gerekmektedir.
AnlaĢmaya esas olarak geliģmiģ ülkeler uymak zorunda olup, CO2 emisyonunun Amerika da %7, Ġngiltere de %12.5 ve Japonya da ise %6 oranında azaltılması gerekmektedir. 2 farklı senaryo çalıģmasına göre 2100 yılına kadar küresel carbon emisyonlarının tahmini Ģekilde gösterilmektedir. IS92a senaryosu karbon yakalama,ayırma ve depolama gibi önlemler alınmadığı takdirde 2100 yılına kadar emisyon değerlerini tahmin ederken WRE 550 bu önlemler alındığında emisyon değerlerinde meydana gelecek değiģimleri tahmin etmektedir.
CO2 emisyonlarının azaltılması Emisyon azaltımı için bu çalıģmada baģlıca 4 ana yaklaģıma yer verilmiģtir.bunlar, Arz yönünde verim geliģtirme yani elektrik üretim tesislerinin, taģıt motorunun, ampullerin ve enerjiyi bir formdan baģka forma dönüģtüren diğer cihazların verimi yükseltmek
Daha iyi yalıtıma sahip binalar, doğal ısıtma ve soğutma kullanımı, toplu ulaģımın büyümesi gibi talep tarafında verim geliģtirme Yüksek karbonlu yakıtlara bağımlılığı azaltmak, ısınma ve elektrik için nükleer ve diğer yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanma
Ağır hidrokarbonları yakan güç tesislerinden CO2 yakalama ve tutma (CCS)
DüĢük karbonlu fosil dönüģüm teknolojileri CO2 yakalama yaklaģımları Güç üretimi için düģük karbonlu enerji dönüģüm Ģeması Yanma sonrası yakalama Yanma öncesi yakalama Oxy-fuel yanma Elektrokimyasal ayırmayı içermektedir.
Yanma sonrası yakalama En basit CO2 yakalama stratejisidir ve kimyasal yıkama tekniği kullanarak baca gazından CO2 giderimi yapılmaktadır.
Konvansiyonel güç tesisinin egzoz gaz akıģından CO2 gidermek için kimyasal ayırma prosesinde solvent kullanılmaktadır. Bu iģlem absorbent kulesinde olmaktadır. Daha sonra solventin tekrar kullanımını sağlamak için rejenere edilmesi gerekir ve bunun için termal enerjiye ihtiyaç vardır. Bu termal enerji, buhar türbinlerinin düģük basınçlı evrelerinde oluģan çıkan buhar ile elde edilebilmektedir.absorpsiyon tesisinde solvent pompalamak ve CO2 i sıvılaģtırmak için daha fazla enerji gerekmektedir.
Oxy-fuel yanma Oxy-fuel yanma Ģemasında, yakıt yanma prosesinde gerekli saf oksijen üretmek için hava ayırma ünitesi(asu) kullanılmaktadır. Yanma ürünleri su ve CO2 tir.
Su yoğunlaģtırılabilir ve CO2 ekstra enerji kullanılmadan direk yakalanmıģ olur. Bazı çalıģmalar doğal gaz yakma çevrimlerinin bu sistemle CO2 yakalama verimlerinin %40-50 ye ulaģtığını göstermektedir. Hava ayırımı için büyük ölçekli distilasyon üniteleri, küçük tesisler için membran esaslı ayırma üniteleri kullanılmaktadır.
Yanma öncesi yakalama Hidrokarbonlu yakıtların kısmi oksidasyonunu içermektedir. Kısmi oksidasyon CO i CO2 ye oksitlemek için gaz-su değiģim reaksiyonunu ve akıģın hidrojen içeriğinde artıģı takip etmektedir.
Sonra CO2 ayrılmıģ ve saf hidrojen gaz turbinlerinin yanma odasında hava içinde yakılmaktadır. Bu yaklaģım hava ayırma ünitesinde yükü azaltmaktadır çünkü oksijen sadece yakıtın kısmi oksidasyonu için gereklidir.
Elektrokimyasal ayırma Yakıt olarak kömürden üretilen sentetik gaz veya doğal gaz kullanıldığı durumlarda, yakıtın kimyasal enerjisini elektriğe direk olarak çevirmek için yüksek sıcaklıklı yakıt pili kullanımı mümkündür. Yüksek sıcaklıklı yakıt pili yüksek verimde çalıģmaktadır.
Üstelik, yakıt kanalının çıkıģ tarafında (anot tarafında) CO2+ H20 ürün akıģı üretirler. Bu iģlem hava ayırma ünitesi olmadan yapılır ve hava ayırma iģlemi elektrokimyasal olarak katot tarafında olur.
Yakıt gazı anot tarafından girer ve katot tarafından anot tarafına katı elektrolit (iyon taģıyan membran) boyunca hareket eden oksijen iyonları ile elektrokimyasal olarak okside edilirler.
Sıfır-karbon teknolojileri:nükleer ve yenilenebilir enerji kaynaklar Sıfır karbon enerji kaynakları nükleer enerji ve hidrolik,jeotermal,rüzgar, güneģ ve biyokütle gibi yenilenebilir enerji kaynaklarıdır.
Nükleer enerji Nükleer enerji Amerika nın elektrik ihtiyacının %20 sini, Fransa da ise %85 ten fazlasını karģılamaktadır. Dünya genelinde birincil enerji kaynağının %6.4 ünü, elektrik ihtiyacının yaklaģık % 17 sini karģılamaktadır.
Büyük ölçekli kazalar, atık uzaklaģtırma ve silahların yaygınlaģması endiģesinden dolayı nükleer enerji yavaģ büyümektedir.
Yenilenebilir enerji kaynaklar Yenilenebilir enerji sistemlerinin çoğalmasıyla, DönüĢüm verimleri artar Maliyet düģer Yenilenebilir enerjiyi benimseyenler için parasal teģvikler artar
Hidrolik güç Yenilenebilir enerjinin en önemli kaynağıdır. Hidrolik güç tesisleri doğal Ģelalelerin veya nehir barajlarının arkasına kurulmaktadır. Dünya genelinde kurulu 0.7TW a yakın bir kapasite vardır. Kapasitenin artırımı sınırlıdır ve kapasitenin 0.9TW ın üzerine çıkabileceği tahmin edilmemektedir.
Hidroelektrik enerjisi mevsimliktir fakat büyük barajlarda güç tesisi içerisinde suyun akıģını düzenleyen yüksek kapasiteli su hazneleri oluģturularak sezonlar arası güç üretimde oluģacak salınımlar azaltılmaktadır.
Jeotermal enerji Ölçeklenebilir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Jeotermal enerji, yeraltında sıcak akıģkanların uygun olduğu alanlarda derin kuyu sondajına ve kaynak ile çevre arasında küçük sıcaklık farkından yararlanarak termal-elektrik çevrim tesisi kurulumuna dayanmaktadır. Tesis verimi düģüktür ancak dünya genelinde jeotermalin potansiyel kapasitesi 10TW tır. Günümüzde kullanılan kapasite 10GW tan daha azdır.
UlaĢtırma Amerika da toplam enerjinin %27 si ulaģtırmaya kullanılmakta ve büyük oranda emisyon üretmektedir. Bu oran ülkeden ülkeye değiģim göstermektedir. UlaĢtırmada yaygın olarak kullanılan benzin ve dizel yakıtlar, yapı olarak kömür,katranlı kum gibi diğer hidrokarbonlara benzemelerine rağmen birincil kaynakları petroldür. Aynı zamanda kara ulaģımda doğal gaz ve propan da kullanılmaktadır.
Petrol fiyatlarının artması, fosil kaynakların giderek azalmasından dolayı ulaģtırmada kullanılacak alternatif kaynaklar üzerinde durulmaya baģlanmıģtır. Aynı zamanda ulaģtırma sektöründe CO2 emisyonunu azaltma çok önemli bir geliģmedir.
CO2 emisyonunu azaltmak için doğal gaz, biyoyakıt gibi düģük karbonlu yakıtların kullanımı, içten yanmalı motorlarda verim artırımı, yakıt pili kullanımı, içten yanmalı motorlarda hidrojen kullanımı gibi alternatifler gelecekte uygun olabilecektir.
Güç aktarım organları verimi Yıllar içinde içten yanmalı motorların verimi sabit bir Ģekilde geliģirken,dizel motorlar etkileyici değerlere ulaģmıģtır. Dizel motorlar dünyanın birçok yerinde hala kamyon ve yolcu taģıtlarının büyük bir kısmında kullanılmaktadır. Ayrıca dizellerde partikül madde ve NOx emisyonlarını azaltabilmek için egzoz gazı after-treatment sistemleri bulunmaktadır.
Dizel motorlarda daha az emisyon oluģtuğundan benzinli motor ile dizel motorun avantajları bir araya getirilerek HCCI veya kontrollü ateģlemeli motorlar yapılmıģtır. Birçok çalıģmada içten yanmalı motorlarda toplam verimi geliģtirebilmek için potansiyel değerlendirmesi yapılmıģtır.
Ġçten yanmalı motorla çalıģan taģıtların yakıt verimliliğinde meydana gelecek geliģme potansiyelinin değerlendirilmesi, the National Academy of Engineering, 2003.
Tipik bir sürüģ çevrimi boyunca enerji kayıpları Ģemada görüldüğü gibidir. Yakıt tüketimini azaltmak için aktarma organlarında bazı modifikasyon iģlemleri önerilmektedir.
Bu modifikasyon iģlemleri rölantiyi ve kısmi yük kayıplarını azaltmayı hedeflemektedir. Bu hedefler doğrultusunda çalıģmalar gerçekleģtirilmiģtir. Bunlardan biri hibrit gaz-elektrik güç aktarım organlarıdır. Ġçten yanmalı motor bir veya daha fazla elektrik motoru, jeneratör ve elektrik depolama cihazı ile bağlantılıdır. Hibrit, çalıģma süresinin çoğunda maksimum verimde çalıģmaktadır.
Hibrit sistemlerde frenleme enerjisinin bir kısmı depolanır ve bu enerji hibrit aktarma organlarında kullanılarak toplam verim artırılır. Frenleme enerjisini depolamak için bataryaların yanı sıra süperkapasitör gibi yüksek güç yoğunluğuna sahip depolama cihazı gerektirmektedir.
Seri hibritte tekerlekler elektrik motoru tarafından hareket ettirilir ve bu motor için elektrik bataryadan veya ihtiyaç duyulan güce göre hem bataryadan hem de motordan gelmektedir. Bu sistem kısa mesafeler için sadece batarya ile çalıģabilecek basit dizaynlardır.
Paralel hibritte tekerlekler motor tarafından hareket ettirilir. Elektrik bataryalardan ve jeneratör gibi davranan motordan gelmektedir. Bu sistemde güç motordan transmisyon sistemine geçer ve motor sürekli çalıģır.
Çift modlu hibritte ise 2 tane elektrik motor bulunmaktadır. Bunlardan biri direk tekerlekleri hareket ettirir, diğeri paralel olarak içten yanmalı motora bağlıdır. Güç ihtiyacına göre 2 elektrik motoru veya tek elektrik motoru çalıģmaktadır.
Well-to-wheel verimi Well-to-wheel verimi ulaģtırmada kaynak kullanımının toplam verimi (yakıt üretim verimi) ve taģıt veriminin toplamından oluģmaktadır. Aynı zamanda hayat boyu değerlendirme (proses baģladığı andan bitene kadar çevresel ve ekonomik etkileri değerlendirilmesi) analizine benzer teknikler kullanılarak elde edilmektedir. Kaynak kullanım verimi ham enerjinin kaynaktan çıkarılmasında, yakıt üretimi ve nakliyede kullanılan enerjiyi içerir.
Sonuçlar Enerji tüketimi dünya genelinde nüfusun artması ve daha iyi yaģam standartlarına ulaģma çabaları nedeniyle her geçen gün artmaktadır. Fosil yakıt kullanımı hiçbir önlem alınmadan devam ederse sera gazları atmosferde artmaya devam edecek ve küresel ısınmayla sonuçlanan geri döndürülemez çevresel etkilere neden olacaktır.
Enerji tüketiminin negatif etkilerini ve CO2 emisyonunu azaltmak için alınacak önlemler küresel anlamda desteklenmeli ve uygulanmalıdır. Yakıt tasarrufu, enerji verimliliğini sağlamak için yeni teknolojiler yada var olan teknolojiler geliģtirilmelidir. Yeni teknolojiler için parasal teģvikler oluģturulmalıdır.
Nükleer enerji ve sıfır karbon üreten yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı artırılmalı ve ekonomik hale getirilmelidir. UlaĢtırma CO2 emisyonu üretiminde baģlıca kaynak olmasından dolayı hibrit çalıģmaları, güç aktarma organında verim geliģtirme çalıģmaları yapılmalı ve toplu ulaģım geniģletilmelidir.